圖片：地出（來(lái)源：NASA）
（Leonie Mueck/文，伏維閣主 /譯）“地出”：這張著名的“地出”照片，重新定義了整整一代人與我們地球的關(guān)系。阿波羅8號(hào)宇航員于1968年圣誕夜在月球軌道上拍攝了它。在這張照片上，我們可以看到一顆遍布云斑的藍(lán)色星球，在那危機(jī)四伏的黑暗中閃著微光；它讓我們認(rèn)識(shí)到，我們的星球是多么孤獨(dú)——只有在地球這顆脆弱的藍(lán)色星球上，原子才能相遇，然后一點(diǎn)點(diǎn)組成分子，再以此為基礎(chǔ)，逐漸構(gòu)造出那化學(xué)的奇跡——生命。
但也許這不過(guò)是我們的想當(dāng)然而已。地球真的是一顆孤獨(dú)的星球嗎？如果轉(zhuǎn)頭望向另一邊個(gè)方向，我們或許就會(huì)得出不同的結(jié)論——我們的最新發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)對(duì)這一觀點(diǎn)提出挑戰(zhàn)。當(dāng)然，我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地外生命；但是我們發(fā)現(xiàn)了大量證據(jù)，足以證明太空中存在著能創(chuàng)造出生命的、復(fù)雜的碳化合物——小分子烴、糖和醇，甚至可能還有那奇特的氨基酸。這些發(fā)現(xiàn)就像那幅“地出”照片一樣，可以完全顛覆我們的世界觀?！暗厍蛏险诎l(fā)生什么？宇宙中又曾經(jīng)發(fā)生過(guò)什么？這些發(fā)現(xiàn)會(huì)完全改變你的認(rèn)知?！泵绹?guó)亞利桑那州圖森大學(xué)的天體化學(xué)家露西·澤里斯（Lucy Ziurys）如是說(shuō)道。而這些發(fā)現(xiàn)也引出了一個(gè)大問(wèn)題：宇宙中的這一切分子，又是怎么被創(chuàng)造出來(lái)的呢？
新發(fā)現(xiàn)顛覆的，并不是“外太空不可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)”。我們?cè)缭诖蟀雮€(gè)世紀(jì)以前就知道，在恒星的“核熔爐”里誕生的碳、氧和其他元素，可以在星際空間中形成簡(jiǎn)單的分子，比如水、一氧化碳和氨。由此形成的分子云可以向內(nèi)坍縮，形成新一代恒星，有的還能形成龐然巨物：比如位于我們銀河系中心的人馬座B2 (Sagittarius B2)，直徑就有150光年。
但要?jiǎng)?chuàng)造出更復(fù)雜的分子，還需要經(jīng)過(guò)一系列非常復(fù)雜的“化學(xué)舞蹈”， 而分子云并不是一個(gè)理想的舞臺(tái)。比如分子云的密度太小，而且溫度太低——它們的溫度實(shí)在太低了，以至于無(wú)法為化學(xué)反應(yīng)提供足夠的能量。但在我們地球上，這些化學(xué)反應(yīng)就可以順利發(fā)生。在上述種種條件的限制之下，原子就很難在星際空間里相逢、結(jié)識(shí)，然后發(fā)生反應(yīng)。
但這件事也許還沒(méi)結(jié)束。在那張“地出”照片誕生短短幾個(gè)月后，一位外星來(lái)客給我們捎來(lái)了別樣的訊息。1969年9月28日，人們?cè)诎拇罄麃喚S多利亞州的默奇森鎮(zhèn)（Murchison）上空看到了一顆明亮的火球——這是人類(lèi)有史以來(lái)觀察到的最大的流星之一。
在接下來(lái)的幾十年里，對(duì)默奇森隕石樣本的分析研究，給我們帶來(lái)了一系列驚人的發(fā)現(xiàn)：隕石中含有大量相對(duì)復(fù)雜的有機(jī)分子，其中就包括能合成蛋白質(zhì)的氨基酸，甚至更復(fù)雜的多肽?？茖W(xué)家在其他隕石里也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的分子。這些發(fā)現(xiàn)可謂至關(guān)重要。因?yàn)榭茖W(xué)家認(rèn)為，隕石中含有的化學(xué)成分，跟最初形成太陽(yáng)系的物質(zhì)中所包含的成分非常相似。澤里斯說(shuō)：“我們的太陽(yáng)系形成于分子云中，而隕石就像是那分子云派來(lái)的信使。”
但只有在新一代大功率紅外線和射電望遠(yuǎn)鏡投入使用之后，科學(xué)家才開(kāi)始仔細(xì)觀察這些分子云。這些望遠(yuǎn)鏡可以測(cè)量氣態(tài)云里分子旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的低能量電磁波——根據(jù)量子力學(xué)理論，分子會(huì)在旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出特定頻率的電磁波。正因如此，在太空不同區(qū)域的光譜中，也就隱藏著關(guān)于其化學(xué)組成的蛛絲馬跡。
隨著我們對(duì)這些蛛絲馬跡的了解越來(lái)越深，我們也收獲了接二連三的驚喜?？茖W(xué)家在太空中發(fā)現(xiàn)的最大分子就是富勒烯了。這種大質(zhì)量的碳分子，是個(gè)由60個(gè)碳原子組成的布基球。2010年時(shí)，NASA的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡在一顆衰老的恒星周?chē)l(fā)現(xiàn)了它們的蹤影。除此之外，還有許多由從2到13個(gè)原子組成的小分子——其中有些只差一點(diǎn)點(diǎn)就能變成生命的基石。
例如2008年時(shí)，科學(xué)家在人馬座B2發(fā)現(xiàn)了氨基乙腈（aminoacetonitrile）。它是甘氨酸——最簡(jiǎn)單的氨基酸——的前體。2009年時(shí)，NASA的“星塵”任務(wù)又在維爾特二號(hào)彗星（81P/Wild 2）表面發(fā)現(xiàn)了甘氨酸——盡管人們對(duì)甘氨酸是否存在于星際空間仍存爭(zhēng)議。
另一種被明確鑒定出來(lái)的分子，是類(lèi)糖分子乙醇醛（glycolaldehyde）。它的發(fā)現(xiàn)得益于坐落在智利安第斯山脈的大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列“阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列”（Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array, ALMA）。ALMA于2011年啟動(dòng)。它在一顆距離地球只有400光年遠(yuǎn)的恒星附近發(fā)現(xiàn)了乙醇醛，意味著這種分子很可能存在于我們太陽(yáng)系誕生的那個(gè)分子云里。2013年時(shí)，科學(xué)家又在人馬座B2上發(fā)現(xiàn)了亞氨基乙烷（ethanimine），這是DNA某種堿基的前體。
迄今為止，科學(xué)家一共在星際空間發(fā)現(xiàn)了180種分子（如圖）。可以說(shuō)，它們不過(guò)是巨大的冰山露出的一角。因?yàn)榉肿釉綇?fù)雜，發(fā)現(xiàn)它就越困難。
圖片：宇宙空間的分子——科學(xué)家目前為止在宇宙空間發(fā)現(xiàn)的這180種左右的分子，大多都很小。除去最簡(jiǎn)單的分子（比如水）之外，還有類(lèi)糖分子、簡(jiǎn)單的酒精分子、碳?xì)浠衔?，以及蛋白質(zhì)和DNA的前體。（來(lái)源：New Scientist）
“我們現(xiàn)在有了靈敏度極高的射電望遠(yuǎn)鏡，我們?nèi)〉玫墓庾V擁有細(xì)密的光譜線：一條緊挨著另一條?！睗衫锼拐f(shuō)，“但要鑒定一種復(fù)雜分子，仍然是件非常困難的事。因?yàn)樗鼈兊墓庾V線很微弱，而且它們藏身于混沌的密林之中?！?/p>
分子越大，它的結(jié)構(gòu)就越松散——所以你很難確定它的預(yù)期光譜。澤里斯說(shuō)，甘氨酸的存在與否，為什么仍有爭(zhēng)議？部分原因在于，甘氨酸的特征光譜究竟是什么樣子，就連實(shí)驗(yàn)室的研究人員都無(wú)法取得一致。
即便如此，從我們目前的發(fā)現(xiàn)來(lái)看，宇宙空間中確實(shí)可以形成相對(duì)較大的分子，而且這些分子跟我們?cè)诘厍蛏习l(fā)現(xiàn)的大分子擁有驚人的相似性。這又是怎么一回事？在我們地球上，氨基酸分子需要在植物或動(dòng)物體內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)才能形成，而且需要酶的催化調(diào)節(jié)——酶在此之前已經(jīng)演化了數(shù)百萬(wàn)年之久，才能勝任這樣的工作。
但是宇宙空間十分疏闊寒冷。不管是什么反應(yīng)創(chuàng)造出了這些大分子，其過(guò)程必然都極為緩慢。用望遠(yuǎn)鏡觀察星空的人，可能要等上數(shù)千年之久，才能看出分毫變化。美國(guó)夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的拉爾夫·凱撒（Ralf Kaiser）說(shuō)：“發(fā)生化學(xué)變化的速率實(shí)在太慢了，不可能進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)?！?/p>
但凱撒是位喜歡自己動(dòng)手處理的研究者。他和他的同事們?cè)跍囟戎槐冉^對(duì)零度多10度的真空室中濃縮化合物（例如水、二氧化碳和氨），從而在實(shí)驗(yàn)室里重建了類(lèi)似于星際空間的環(huán)境。有了這個(gè)大環(huán)境，那么要想縮短反應(yīng)時(shí)間，只需要把更多物質(zhì)放進(jìn)這個(gè)真空室里就行了。所以在宇宙空間需要花數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間才能相遇的原子，在這里只要花幾個(gè)小時(shí)就能碰面。凱撒說(shuō)：“我的實(shí)驗(yàn)室多少有些像是時(shí)間機(jī)器?！?/p>
拉爾夫·凱撒在他的實(shí)驗(yàn)室中。（來(lái)源：hawaii.edu）
在此條件之下，該研究團(tuán)隊(duì)最終設(shè)法證明，宇宙中的甘氨酸很可能是通過(guò)施特雷克合成反應(yīng)（Strecker synthesis）被制造出來(lái)的。該反應(yīng)從19世紀(jì)開(kāi)始就被化工廠用來(lái)合成氨基酸。但我們此前認(rèn)為，這一反應(yīng)并不會(huì)自然發(fā)生。
在我們地球上，你需要把完全正確的化學(xué)“素材”——醛、氨和氰化物——放在一起，加熱到合適的溫度，再加上某些酸，才能促發(fā)施特雷克合成反應(yīng)。但在宇宙空間里，地球上那位化工專(zhuān)家的工作，似乎是由另外兩樣?xùn)|西完成的：一個(gè)是高能輻射，另一個(gè)是塵埃。激烈的電離輻射呼嘯著穿過(guò)宇宙空間，提供的能量促發(fā)了一系列化學(xué)反應(yīng)，啟動(dòng)了施特雷克合成反應(yīng)。
至于宇宙塵?！珊阈菄姵龅墓腆w碎屑，上面覆蓋著由二氧化碳、氨和碳?xì)浠衔锝M成的冰冷外殼——?jiǎng)t從三個(gè)方面來(lái)輔助施特雷克合成反應(yīng)。首先，它給化學(xué)反應(yīng)提供了“舞臺(tái)”：被它吸收到表面的分子，一般只需要少得多的能量就能發(fā)生反應(yīng)。第二，它可以吸收反應(yīng)產(chǎn)生的多余能量。第三，它的冰冷外層可以為反應(yīng)最初階段形成的分子提供保護(hù)——如果這些分子直接暴露于宇宙輻射之中，那么它們剛一合成就很可能被破壞殆盡。
凱撒最近在和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員展開(kāi)合作。他們希望知道，“宇宙化學(xué)”是否能創(chuàng)造出更超出氨基酸的東西。他說(shuō)：“我們想看看氨基酸是否能在模擬冰粒上進(jìn)一步鏈結(jié)起來(lái)?！比绻麅蓚€(gè)氨基酸結(jié)合在一起，就能形成一個(gè)二肽——也就是一個(gè)非常小的蛋白質(zhì)。如果科學(xué)家能在實(shí)驗(yàn)室的模擬冰粒上發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)，就意味著生命的最基本構(gòu)建模塊確實(shí)可以在宇宙空間中形成。
但是實(shí)驗(yàn)證明，要想發(fā)生反應(yīng)，實(shí)在太困難了：合成出來(lái)的成品數(shù)量極其稀少。但在3年之后，經(jīng)過(guò)了40次重復(fù)實(shí)驗(yàn)、無(wú)數(shù)次交叉檢查和光譜分解，該研究團(tuán)隊(duì)終于在2013年3月找到了答案。二肽確實(shí)可以在宇宙空間中合成；甚至就連更復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)——比如三肽——都有可能合成。歐洲航天局的“羅塞塔”任務(wù)計(jì)劃于2014年登陸“67P/楚留莫夫-格拉希門(mén)克”彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）。它或許可以幫助我們確證這件事——至少是在彗星表面。（羅塞塔任務(wù)探測(cè)器“菲萊”于2014年11月12日登陸67P。目前結(jié)果仍在分析之中。——譯者注）
但是宇宙里還有其他分子，僅憑星塵的薄霧和電離射線的輻射，還無(wú)法得出令人滿(mǎn)意的解釋。比如2012年時(shí)，科學(xué)家在星際空間里發(fā)現(xiàn)了甲氧基。這些小分子比甲醇——最簡(jiǎn)單的醇——少一個(gè)氫原子，所以需要從甲醇拿走一個(gè)氫原子才能形成。在地球的大氣層里，當(dāng)甲醇遇到一個(gè)由單一氫原子和單一氧原子組成的羥基時(shí)，就會(huì)發(fā)生這一化學(xué)反應(yīng)。但是實(shí)驗(yàn)表明，在星際云的塵埃顆粒上，甲醇在反應(yīng)中被拿走的是“錯(cuò)誤”的氫原子，所以該反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生另一種分子，名為“羥甲基”。也就是說(shuō)，在自由空間（free space。編者注：一種理論的完美真空）中漂浮的甲醇和羥基，似乎不太可能形成甲氧基——就是沒(méi)有足夠的能量讓它們發(fā)生反應(yīng)。
2013年，英國(guó)利茲大學(xué)的德韋恩·赫德（Dwayne Heard）和他的同事在無(wú)意之間解決了這個(gè)悖論。赫德說(shuō)：“我們的目標(biāo)原本是研究羥基在我們地球大氣中的化學(xué)反應(yīng)?！钡撬麄兊脑O(shè)備碰巧讓他們降低了反應(yīng)的溫度。當(dāng)溫度到達(dá)-200℃，反應(yīng)速度突然加快了100倍。
赫德說(shuō)：“反應(yīng)速度提升得太快了，我們只能驚呼：‘天哪！一定還發(fā)生了別的什么！”
后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是量子力學(xué)在背后搞鬼。低溫會(huì)讓化學(xué)反應(yīng)平緩下來(lái)，所以分子可以在一起待上足夠長(zhǎng)的時(shí)間，發(fā)生“量子隧穿效應(yīng)”。來(lái)自德國(guó)斯圖加特大學(xué)的理論化學(xué)家約翰尼斯·卡斯特納（Johannes K?stner）這么解釋量子隧穿效應(yīng)：就好比你把球往墻上扔，但是球沒(méi)有反彈回來(lái)，而是徑直穿過(guò)墻壁去。與之類(lèi)似，參與化學(xué)反應(yīng)的原子，有時(shí)候并不需要攻克能量的壁壘（有限位勢(shì)壘——譯者注）——根據(jù)量子力學(xué)理論，原子的位置擁有不確定性；雖然可能性很小，但是它仍有一定可能穿過(guò)位勢(shì)壘。
參與反應(yīng)的原子越小，就越容易出現(xiàn)這樣的情況?？ㄋ固丶{說(shuō)：“這就是為什么隧穿效應(yīng)在氫原子的反應(yīng)中最為重要?！毖芯堪l(fā)現(xiàn)，正是在這種量子效應(yīng)的協(xié)助之下，在低溫自由空間里參與甲醇和羥基反應(yīng)的氫原子才能重新定位，組成甲氧基。
或許一個(gè)全新的星際化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)正準(zhǔn)備由此開(kāi)端。而你唯一需要做的，只是從甲氧基中再拿走一個(gè)氫原子，制造出甲醛。甲醛會(huì)一次又一次發(fā)生反應(yīng)，最終“成長(zhǎng)”為一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)分子。
不過(guò)，這一反應(yīng)真的能在自由空間里發(fā)生嗎？科學(xué)家目前還在猜測(cè)之中。但最近在太空中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)分子，再次掀起了那場(chǎng)久已有之的討論：地球是否真的是生命的前體分子最初形成的地方？一種關(guān)于生命起源的理論認(rèn)為，地球上的第一個(gè)多肽是由3到8個(gè)氨基酸組成的；它會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)反應(yīng)，形成較大的分子，并最終形成大型蛋白質(zhì)、酶和其它生命必需的分子。但至于那些小多肽是怎么在地球上形成的呢？答案仍然暗昧不明，而且矛盾重重。比如在地球早期的大氣之中，似乎并不存在可以發(fā)生上述化學(xué)反應(yīng)的成分。
然而現(xiàn)在看來(lái)，創(chuàng)造出生命的化學(xué)反應(yīng)并不一定是在地球上發(fā)生的——太陽(yáng)和圍繞它運(yùn)行的行星們，可能一開(kāi)始就誕生于一個(gè)擁有有機(jī)分子的環(huán)境之中，而且某些有機(jī)分子至少像二肽那么大。也許在地球的化學(xué)條件漸臻佳境的時(shí)候，這些有機(jī)分子隨彗星來(lái)到地球。澤里斯介紹說(shuō)，在距今大約40-35億年前的某個(gè)時(shí)候，地球曾經(jīng)歷了一次彗星和隕星的瘋狂轟炸?！拔覀冋业降年P(guān)于生命起源的最早證據(jù)，就來(lái)自那之后不久。”
這也許是個(gè)巧合，但也許給我們提供了另一種解釋。2013年9月發(fā)表的一項(xiàng)研究證明，氨基酸可以在冰彗星的表面形成——只要這顆冰慧星擁有像地球一樣的巖石表面就行了。當(dāng)然，就算出現(xiàn)在地球上的分子并不完全是地球自己的發(fā)明，我們的星球仍然大大推動(dòng)了宇宙化學(xué)的進(jìn)程——而且就我們目前所知，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他任何地方。所以我們有足夠的理由，去珍惜這顆獨(dú)一無(wú)二的藍(lán)色星球——在我們眺望環(huán)繞四周的宇宙時(shí)，我們不妨停下來(lái)想一想：至少我們的分子并不孤獨(dú)。 （編輯：游識(shí)猷）
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